空間機(jī)械臂六維力-力矩傳感器及其在線標(biāo)定的研究.pdf

1、空間機(jī)械臂是空間站建設(shè)、維護(hù)維修、運(yùn)營(yíng)管理及輔助宇航員出艙等任務(wù)的重要工具之一。根據(jù)我國(guó)空間站任務(wù)的迫切需求，本文對(duì)空間站所需的空間機(jī)械臂在進(jìn)行精細(xì)、復(fù)雜操作任務(wù)及力控制、運(yùn)動(dòng)柔順控制時(shí)所需的關(guān)鍵力感知技術(shù)進(jìn)行了深入研究。旨在研制出一種具有良好一致性、高可靠性、高精確度、高剛度、高靈敏度、良好集成性、具有零點(diǎn)漂移和溫度漂移補(bǔ)償且具有過(guò)載保護(hù)的六維力/力矩傳感器，并圍繞六維力/力矩傳感器的優(yōu)化、靜態(tài)特性和溫度漂移補(bǔ)償及在線標(biāo)定等問(wèn)題開展深

2、入的研究。本論文將顯著提高我國(guó)在該領(lǐng)域的研究水平，并為國(guó)家空間站項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有力保障。
　　針對(duì)傳統(tǒng)上六維力/力矩傳感器常采用試湊法設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致其在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和能力，且往往無(wú)法獲取性能最優(yōu)的傳感器模型等缺點(diǎn)，本文提出了一種基于響應(yīng)面方法的六維力/力矩傳感器優(yōu)化方法，并以空間機(jī)械臂六維力/力矩傳感器彈性體的優(yōu)化為例進(jìn)行了說(shuō)明。該方法通過(guò)合理安排試驗(yàn)設(shè)計(jì)，只需要少量精確的有限元計(jì)算，就能利用響應(yīng)面方法擬合出足

3、夠精度的傳感器近似數(shù)學(xué)模型。以擬合的傳感器數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以傳感器應(yīng)變?nèi)犴樉仃嚨臈l件數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，以彈性體的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，并以傳感器的靈敏度和剛度等為約束條件，即可快速獲得最優(yōu)的傳感器模型。
　　為研制一種適合空間機(jī)械臂的六維力/力矩傳感器，并參考國(guó)外文獻(xiàn)，本文研制的傳感器采用電阻應(yīng)變?cè)?。針?duì)空間機(jī)械臂的高剛度及集成化要求，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的彈性體。該彈性體采用通孔形式的平行板梁結(jié)構(gòu)，從而在保證剛度的條件下，有效地

4、提高了傳感器的靈敏度。為保護(hù)傳感器在惡劣工作情況下免受損害，設(shè)計(jì)了階梯銷和通孔作用的機(jī)械式過(guò)載保護(hù)。為使傳感器實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移和溫度漂移的補(bǔ)償功能，設(shè)計(jì)了D/A補(bǔ)償及溫度采集電路。為了便于和空間機(jī)械臂的集成，傳感器本身具有力/力矩信號(hào)的解耦和溫度信息處理能力，并通過(guò)RS-422方式實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制器的通信。
　　為獲取六維力/力矩傳感器的靜態(tài)特性，設(shè)計(jì)了基于滑輪-砝碼的標(biāo)定系統(tǒng)，并對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析。采用最小二乘方法獲得了

5、六維力/力矩傳感器的標(biāo)定矩陣，通過(guò)加卸載實(shí)驗(yàn)得到了傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)和耦合誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傳感器的溫度漂移現(xiàn)象非常嚴(yán)重，因此提出了基于粒子群算法優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)的補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效地解決了傳感器的溫度漂移問(wèn)題。此外，針對(duì)傳感器的剛度性能、過(guò)載能力及力學(xué)振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　針對(duì)空間環(huán)境下六維力/力矩傳感器的校正問(wèn)題，提出了基于空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩傳感器在線標(biāo)定六維力/力矩傳感器的方法。該方法在空

6、間機(jī)械臂末端執(zhí)行器抓取某固定點(diǎn)時(shí)，且確保各關(guān)節(jié)位姿不變的情況下，通過(guò)機(jī)械臂的控制命令給各關(guān)節(jié)施加一系列不同的作用力，使得機(jī)械臂處于內(nèi)力平衡狀態(tài)。通過(guò)力雅克比矩陣，將關(guān)節(jié)力矩傳感器檢測(cè)的力矩信息映射到六維力/力矩傳感器上作為標(biāo)準(zhǔn)載荷，同時(shí)采集六維力/力矩傳感器的實(shí)際輸出電壓信號(hào)，從而建立標(biāo)準(zhǔn)輸入作用載荷、實(shí)際輸出電壓信號(hào)及標(biāo)定矩陣之間的等式關(guān)系。為了獲取更加精確的標(biāo)定矩陣，可以改變機(jī)械臂的位姿，并重復(fù)上述操作來(lái)獲得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后采用最